一种单脉冲雷达天线和差波束形成的子阵划分方法技术

本发明专利技术提出了一种单脉冲雷达天线和差波束形成的子阵划分方法，所述方法包括：将单脉冲雷达天线给定的2N元对称直线阵划分成2M个对称子阵，每个子阵中阵元等幅等相激励，仅在子阵级分别加权和形成期望的和波束与差波束；由子阵级和差波束加权激励矢量和推导出和波束对应的阵元激励矢量以及差波束对应的阵元激励矢量并由这两组矢量组成矩阵W

【技术实现步骤摘要】
一种单脉冲雷达天线和差波束形成的子阵划分方法


[0001]本专利技术涉及无线通信领域，特别涉及一种单脉冲雷达天线和差波束形成的子阵划分方法。

技术介绍

[0002]单脉冲雷达天线通常需要产生一个主瓣的和方向图与两个主瓣的差方向图，以实现高速目标的跟踪和定位。要实现和差波束同时低副瓣，最直接的方式就是分别优化每个阵元的激励幅度形成期望的和方向图与差方向图，虽然这种直接法波束形成最为简单，比如可以利用泰勒加权实现和波束，贝利斯加权实现差波束，但这样需要完全不同的两套馈电网络来形成和差波束，当阵元很多时，波束形成的硬件成本和复杂度就会太高，因此，后续提出了子阵级加权差方向图法，即利用阵元级加权直接得到期望的和方向图，然后，对阵列进行子阵划分，通过优化子阵级权值得到期望的低副瓣差方向图。可见，这种情况下和差波束对应的馈电网络很大一部分是公用的，可以降低系统复杂度。为了进一步降低单脉冲阵列天线的设计难度，将整个阵列划分成若干子阵，通过不同的子阵级加权实现期望的和差波束。比较可知，这种设计框架下，子阵数远小于阵元数，可以极大地节省通道数，从而有效降低了整个系统的复杂性。但是，相应的优化问题也变得更为复杂，涉及到子阵划分包括子阵数和子阵结构以及子阵级和差波束加权的联合优化，熊子源等人在权矢量逼近准则下提出了一种分级聚类的非均匀子阵划分方法，虽然该方法可以有效地减少权矢量的逼近误差，但其需进行大量的训练来选取控制参数，计算量大，并且需要预先给定阵元激励作为先验信息。此外，必须指出，当前众多的子阵划分方法都是围绕已知子阵数开展的，子阵数的不同直接影响子阵划分以及和差波束加权的优化结果。而关于子阵数的优化特别是最小化子阵数的相关研究尚未开展，但在实际工程中，在最小化子阵数的子阵划分下实现期望的和差波束更具有实用价值和现实意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是在于解决单脉冲和差波束形成中最小化子阵数的子阵划分问题，只有当子阵数最少时，才能最大化简化馈电网络，从而以最低的软硬件成本实现各种期望功能。
[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提出了一种单脉冲雷达天线和差波束形成的子阵划分方法，所述方法包括：
[0005]步骤S01)将单脉冲雷达天线给定的2N元对称直线阵划分成2M个对称子阵，每个子阵中阵元等幅等相激励，仅在子阵级分别加权和形成期望的和波束与差波束；
[0006]步骤S02)由子阵级和差波束加权激励矢量和推导出和波束对应的阵元激励矢量以及差波束对应的阵元激励矢量并由这两组矢量组成矩阵W
ele
，根据W
ele
每列矢量的可压缩特性构造稀疏矩阵S'
ele
，对其进行稀疏表示；
[0007]步骤S03)根据和波束与差波束的辐射要求，基于联合稀疏恢复理论，建立最小化子阵数的和差波束形成凸优化模型；
[0008]步骤S04)求解凸优化模型，计算出稀疏矩阵S'
ele
，从中提取子阵数M、和波束对应的子阵级加权激励以及差波束对应的子阵级加权激励
[0009]作为上述方法的一种改进，所述步骤S01)具体包括：
[0010]将单脉冲雷达天线给定的2N元对称直线阵划分成2M个对称子阵，每个子阵中阵元等幅激励，在子阵端口添加激励来实现期望的和波束，其中表示形成和波束时第m个子阵端口的激励值，上标(s)表示和波束相关参数，上标T表示转置；
[0011]保持子阵结构不变，在子阵端口添加另一组激励来实现期望的差波束，其中表示形成差波束时第m个子阵端口的激励值，上标(d)表征差波束相关参数；
[0012]对同一个子阵划分结构，仅通过在子阵级加权产生和波束与差波束。
[0013]作为上述方法的一种改进，所述步骤S01)中，正半轴阵元数N远大于正半轴子阵数M，并且第m个子阵的阵元数N
m
满足下式：
[0014][0015]作为上述方法的一种改进，所述步骤S02)具体包括：
[0016]由子阵级加权矢量和推导出阵元级加权矢量，即和波束对应的阵元激励矢量为：
[0017][0018]差波束对应的阵元激励矢量为：
[0019][0020]由列矢量和构成的矩阵W
ele
为：
[0021][0022]根据矩阵W
ele
每列元素特性，对其进行差分运算得：
[0023][0024]为了保持两个矩阵大小相同，把矩阵W
ele
的第一行矢量添加到矩阵W'
ele
中，则矩阵W'
ele
则更新为：
[0025][0026]矩阵S'
ele
为矩阵W
ele
的稀疏表示，二者存在以下关系
[0027]W
ele
＝ΤS'
ele
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0028]其中T矩阵称为稀疏转换矩阵，满足下式：
[0029][0030]作为上述方法的一种改进，稀疏矩阵S'
ele
为一个行稀疏矩阵，有M个非零行，表示这个行稀疏矩阵的非零行个数，满足下式：
[0031][0032]其中表示矩阵的第n行，行稀疏矩阵的非零行数用它的混合l2/l1范数来近似，即：
[0033][0034]表示矩阵第n行的2
‑
范数，并且任意矢量x的2
‑
范数定义为其中Q为矢量x长度。
[0035]作为上述方法的一种改进，稀疏矩阵S'
ele
的两个列矢量分别是和的稀疏表示，满足下式：
[0036][0037]其中，ξ表示稀疏矩阵S'
ele
的第一列，ψ表示稀疏矩阵S'
ele
的第二列；
[0038]和具有相同的稀疏特性，即非零元的个数相同，非零元在矢量中的位置相同。
[0039]作为上述方法的一种改进，所述步骤S03)具体包括：
[0040]根据和波束与差波束的辐射要求，期望的子阵级加权所得和方向图的主波束和副瓣电平与阵元级泰勒加权方向图F
s
(θ)的主波束和副瓣电平SLL
s
相同，期望的子阵级加权所得差方向图的主波束和副瓣电平与阵元级贝利斯加权方向图F
d
(θ)的主波束和副瓣电平SLL
d
相同，以最小化子阵数为优化目标，建立和差波束联合优化的凸优化模型为：
[0041][0042]其中K
(s)
表示和方向图主波束的采样点数，ε为主波束的重建误差，为和方向图主波束的第一零点，为差方向图主波束的第一零点，A(θ
i
)表示第i个观测方向θ
i
对应的和方向图导向矢量；
[0043]根据和波束激励加权值关于阵列呈中心左右对称的特性，A(θ
i
)表示为：
[0044]A(θ
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单脉冲雷达天线和差波束形成的子阵划分方法，所述方法包括：步骤S01)将单脉冲雷达天线给定的2N元对称直线阵划分成2M个对称子阵，每个子阵中阵元等幅等相激励，仅在子阵级分别加权和形成期望的和波束与差波束；步骤S02)由子阵级和差波束加权激励矢量和推导出和波束对应的阵元激励矢量以及差波束对应的阵元激励矢量并由这两组矢量组成矩阵W
ele
，根据W
ele
每列矢量的可压缩特性构造稀疏矩阵S'
ele
，对其进行稀疏表示；步骤S03)根据和波束与差波束的辐射要求，基于联合稀疏恢复理论，建立最小化子阵数的和差波束形成凸优化模型；步骤S04)求解凸优化模型，计算出稀疏矩阵S'
ele
，从中提取子阵数M、和波束对应的子阵级加权激励以及差波束对应的子阵级加权激励2.根据权利要求1所述的单脉冲雷达天线和差波束形成的子阵划分方法，其特征在于，所述步骤S01)具体包括：将单脉冲雷达天线给定的2N元对称直线阵划分成2M个对称子阵，每个子阵中阵元等幅激励，在子阵端口添加激励来实现期望的和波束，其中表示形成和波束时第m个子阵端口的激励值，上标(s)表示和波束相关参数，上标T表示转置；保持子阵结构不变，在子阵端口添加另一组激励来实现期望的差波束，其中表示形成差波束时第m个子阵端口的激励值，上标(d)表征差波束相关参数；对同一个子阵划分结构，仅通过在子阵级加权产生和波束与差波束。3.根据权利要求2所述的单脉冲雷达天线和差波束形成的子阵划分方法，其特征在于，所述步骤S01)中，正半轴阵元数N远大于正半轴子阵数M，并且第m个子阵的阵元数N
m
满足下式：4.根据权利要求3所述的单脉冲雷达天线和差波束形成的子阵划分方法，其特征在于，所述步骤S02)具体包括：由子阵级加权矢量和推导出阵元级加权矢量，即和波束对应的阵元激励矢量为：差波束对应的阵元激励矢量为：
由列矢量和构成的矩阵W
ele
为：根据矩阵W
ele
每列元素特性，对其进行差分运算得：为了保持两个矩阵大小相同，把矩阵W
ele
的第一行矢量添加到矩阵W'
ele
中，则矩阵W'
ele
则更新为：矩阵S'
ele
为矩阵W
ele
的稀疏表示，二者存在以下关系：W
ele
＝ΤS'
ele
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中T矩阵称为稀疏转换矩阵，满足下式：5.根据权利要求4所述的单脉冲雷达天线和差波束形成的子阵划分方法，其特征在于，稀疏矩阵S'
ele
为一个行稀疏矩阵，有M个非零行，表示这个行稀疏矩阵的非零行个数，满足下式：
其中表示矩阵的第n行，行稀疏矩阵的非零行数用它的混合l2/l1范数来近似，即：范数来近似，即：表示矩阵第n行的2
‑
范数，并且任意矢量x的2
‑
范数定义为其中Q为矢量x长度。6.根据权利要求5所述的单脉冲雷达天线和差波束形成的子阵划分方法，其特征在于，稀疏矩阵S'
ele
的两个列矢量分别是和的稀疏表示，满足下式：其中，ξ...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓雯，张云华，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：